Iluminación LED: Parece que su momento está llegando
La palabra transistor en el lenguaje cotidiano es confusa, o mejor dicho, polisémica; pues la "gente de la calle" suele llamar "transistor" a un aparato de radio. Inicialmente, allá por los años finales de los 60, eran aparatos de radio hechos con transistores; hoy se trata de circuitos integrados; pero siguen llamándose "transistores".
El precio de los "transistores" dependía del número de transistores, algunos se anunciaban como "con 6 transistores". Lo cual, gramaticalmente, no dejaba de ser exótico, "un transistor con 6 transistores".
Un dispositivo llamado transistor
Por otro lado también se llama transistor al dispositivo que inventasen Bardeen, Brattain y Shockley y por el cual recibieron el Premio Nobel. Se trata de un dispositivo hecho con semiconductores (los cuales en ciertas circunstancias conducen la electricidad y en otras no: Silicio, germanio, arseniuro de galio…) que era capaz de amplificar una señal eléctrica, sustituyendo a las válvulas electrónicas, que entonces se usaban para detectar una señal de radio (diodos)- y para amplificarla (triodos, tetrodos, pentodos). El Premio Nobel lo asignaron por un transistor de puntas (dos puntas metálicas sobre un cristal). Pero aquello era muy difícil de fabricar; muy pronto, Shockley patentó otro modo de hacerlo; se trataba de dopar un sustrato (por ejemplo silicio) de modo que quedasen tres "rectángulos" unidos. El de la izquierda tenía defecto de electrones (P), el del medio exceso (N) y el de la derecha nuevamente defecto (P).
La principal ventaja es que su fabricación era por técnicas fotográficas y evaporación de metales en un horno. Se podía automatizar y, por lo tanto, bajar el precio.
He hablado de un transistor PNP, pero funcionaba exactamente igual uno NPN.
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PNP |
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Un transistor que da un destello de luz
A finales de los 60, un profesor nos llevó un transistor, es decir, el dispositivo de tres patas capaz de amplificar. Era uno de los más baratos del mercado. Estaba envuelto en una cápsula de plástico. Con una lima fue quitando el recubrimiento hasta que quedó al aire la zona de las uniones PNP.
Los transistores funcionaban nominalmente a unos 5 voltios; pero nuestro profesor aplicó 19 voltios. De repente, de la unión, salió un rayo de luz, y el transistor se quemó.
El profesor había aplicado el voltaje tan sólo a dos patas, una conectada a la zona P y otra a la zona N. Para hacerlo no habría hecho falta un transistor, hubiera bastado un diodo. Un diodo es la unión de un semiconductor P con otro N.
Había demostrado que una unión P-N (o la N-P) era capaz de emitir luz. Era una luz brillante, pero que tenía un problema: Quemaba el transistor. Del transistor sólo usó dos patas, así que podemos decir que nos había demostrado que un diodo de semiconductores es capaz de emitir luz. Además, durante muy corto periodo de tiempo y de forma destructiva.
Diodos Luminosos de 1907 a 1962
Ese efecto de producir luz con un diodo semiconductor no era nuevo. Realmente ya se había observado en 1907, pero como la luz que proporcionaba era muy pequeña nadie le dio ninguna importancia. Tuvimos que esperar hasta 1962 a que Nick Holonyak, en aquel momento investigador de General Electric, redescubriera que los cristales semiconductores podían emitir luz roja. De ese modo inventó el primer LED (Diodo Emisor de Luz: Light Emiter Diode) de utilización práctica.
Curiosamente, fue el primer estudiante de Bardeen (¿Recuerdan: El inventor del transistor que recibió en Premio Nobel en 1956?) y después su amigo. Dicho sea de paso, Nick cree que a Bardeen no se le ha reconocido suficientemente su contribución al desarrollo de los semiconductores y que se ha ensalzado demasiado a Shockley. Personalmente creo que a Bardeen le debemos el gran desarrollo teórico, y a Shockley una nueva técnica de fabricación. Ambas cosas son importantes. A pesar que el racismo de Shockley siempre me ha molestado.
LEDs rojos, un éxito
Para los estándares de hoy en día, los primeros LEDS que fabricó la GE daban una luz ridícula; pero tenían dos ventajas importantes sobre las luces convencionales (un filamento calentado hasta emitir luz, encerrado en una ampolla de vidrio en la que se había hecho el vacío). Éstas eran: La luz era fría y su larga duración. Dichas características los hacían ideales para indicadores; calculadoras, relojes,…
Y hoy en día sus herederos forman parte de los indicadores de miles de diferentes equipos electrónicos: Del lector de CD, de los lectores de DVD, de diversos 'displays', etc.
En 1971 The Wall Street Journal publicaba un anuncio de la empresa Monsanto en la que divulgaba que la luz de los LEDs era tan interesante que muy pronto podría usarse en los faros de los coches. El anuncio recibió muchas críticas, pues, era precipitado, engreído…
La verdad es que se adelantaron un poco; pero hoy muchos automóviles llevan las luces rojas traseras con LEDS, e incluso algunos llevan los focos delanteros de LEDS, los semáforos tienen LEDs… Pero no quiero adelantarme.
Más alumnos
Un alumno de Holonyak, de nombre George Craford, logró que la luz dejase de ser roja fabricando los LEDs amarillos.
Poco después se consiguió el color Naranja.
Desde los años 70 hasta hoy la eficiencia energética de estos LEDs ha ido mejorando; pero ha sido muy difícil conseguir luz azul y luego luz verde.
La lucha por el azul
Conseguir LEDS azules era muy importante para muchas cosas; la primera para lograr una luz blanca y poder pensar en usarlos como iluminación; como sustituto de las bombillas convencionales o de las fluorescentes. Y para muchas otras cosas, entre ellas quiero destacar la posibilidad de introducir más información en los dispositivos ópticos: CD, DVD. Voy a tratar de explicar el porqué.
Hace ya muchos años que hice alguna incursión en el mundo de la pintura al oleo y una de las cosas que pinté fueron paisajes en lienzos miniatura. Entendámonos, llamo miniatura a un lienzo de unos 10 centímetros de lado.
Dos de mis cuadros miniatura están expuestos en una "galería de arte" (el pasillo de la casa de mis padres, donde se exhiben mis "obras maestras") :). En ambos hay un lago y hay árboles con hojas otoñales (verdes, amarillas y rojizas). El problema con el que me encontré fue muy simple: ¿Cómo pintar hojas con una dimensión de décimas de milímetro? La solución fue sencilla; fui a la tienda de arte y compré varios pinceles de un solo pelo. Recuerdo perfectamente que eran de pelo de marta (tenía una amiga que se llamaba Marta; pero, no, no era de ella sino de este simpático animalito).
Fíjense que he dicho "de un solo pelo". Si quería ir a detalles muy finos, necesitaba un pincel muy fino. Si hubiera intentado pintarlo con una brocha de pintor o con un rodillo me hubiera resultado imposible.
Para escribir en los CD y DVD se utiliza luz, pero la luz es similar a las brochas y pinceles de mis cuadros. La luz roja es muy gorda; es un rodillo de pintor.
Mientras que la luz azul es un pincel de un solo pelo de marta. Y la Violeta de medio pelo. Y la ultravioleta de una fracción de un pelo.
Los "detalles" de un CD o de un DVD son los "agujeros" con los que se representan los ceros y los unos. Cuando la luz del láser que los graba o que las lee es roja, estamos haciéndolo con un rodillo de pintor. Si queremos meter más información debemos hacerlo con pinceles más finos: Verde, azul, violeta, ultravioleta.
Obtener un LED de luz azul era muy importante tanto para la iluminación como para los CD y DVD de nueva generación y para las telecomunicaciones… Pero eso lo veremos otro día.
El primer LED azul salió al mercado el 1993 y fue desarrollado por Shuji Nakamura que trabajaba para la empresa Nichia.
Es curioso, después –DESPUÉS– salió el de color verde. La brocha verde es más gorda que la azul; pero se desarrolló más tarde.
El azul se metamorfosea en blanco
Todos sabemos que la suma de los colores magenta (rojo), verde y azul producen la sensación de blanco. De hecho, las televisiones, para conseguirlo lo que hacen es iluminar tres puntos: Uno rojo (R), otro verde (G) y otro azul (B). De ahí el nombre de RGB.
Así que como ya teníamos LEDs rojos, verdes y azules, podíamos hacer focos que iluminasen con luz blanca.
No era la única solución; había otras más esotéricas, basadas en la ecuación de Planck, que nos dice que la energía de un fotón de una cierta luz es:
E = h.f
donde E es la energía, h es la constante de Planck y f es la frecuencia; que muchas veces se escribe con la letra griega nu; pero como no sé cómo demonios se hace para ponerla en html pues pongo f, que queda muy bien.
Fíjense ustedes en f. La frecuencia depende del color (o viceversa). La f del azul es mucho mayor que la del rojo. Digamos que es la inversa del tamaño de la brocha. Podíamos decir que cuanto más gorda es la brocha menos frecuencia tiene. Lo cual no carece de cierta lógica. Piense usted que quiere hacer vibrar una brocha de arriba abajo muy deprisa. Parece intuitivo que usted será capaz de hacer vibrar (frecuencia) más veces el pincel de un solo pelo de marta; que el rodillo de pintor, ¿O no?
Pues a lo que íbamos, el azul tiene mucha más frecuencia que el rojo; o lo que es lo mismo tiene más energía.
Recuerde: Un fotón azul tiene mucha más energía que un fotón rojo.
El Fósforo
El fósforo es un elemento fosforescente; lo cual nos lo podíamos esperar por su nombre: De fósforo, fosforescente.
Cuando al fósforo le llega un fotón de baja energía (rojo) ni se entera; pero cuando le llega un fotón de alta energía (azul), se activa y es capaz de reemitir la luz con un detallito: En otro color.
Dependiendo de las impurezas que contenga el fósforo puede reemitir en verde (¿Recuerdan que los primeros computadores tenían pantallas de fósforo verde?), en rojo, en azul o en blanco.
Si a un LED rojo lo recubrimos de fósforo…. No pasa nada. Pero si a un LED azul lo recubrimos de fósforo podemos producir diversos colores, incluyendo el blanco.
Pues ya está… Ya hemos trasformado el azul en blanco: Recubriendo el LED con una capa de fósforo debidamente dopado.
-¿Que se me olvidaba que ya se había conseguido con mezcla de LED rojos, verdes y azules? Pues sí; llevas razón.
Ventajas de los focos LEDs
Ya hay en el mercado focos de alta luminosidad basados en LEDs. Hay focos de colores y hay focos blancos. Y ya hay linternas con LEDs.
Incluso hay unas linternas que recargan con cuerda (una cuerda de reloj), o agitándolas, que llevan LED.
La razón de llevar LED en vez de bombillas de filamento es muy clara: Su rendimiento energético.
Una bombilla de incandescencia estropea la energía en calor, no en luz. Apenas un 5% de la energía que consume se transforma en calor, mientras que, en teoría, con los LED, se puede llegar cerca de 100% (un poco menos en los blancos con fósforo, pues en la conversión luz azul-fósforo se pierde algo de energía).
Para hacernos una idea del "estado del arte", en estos momentos están a la venta productos con un rendimiento de 25 lúmenes por vatio. Si tenemos en cuenta que una bombilla de incandescencia de 60 vatios produce 800 lúmenes, estamos diciendo que cada vatio produce 13,33 lúmenes. Grosso modo podemos decir que la mitad.
Eso por lo que respecta a esa empresa; pero hay otra, Permlight que vende módulos de 15 vatios, que son equivalentes a 75 vatios de incandescencia y a 26 vatios de fluorescentes.
El ahorro es considerable.
No sólo ahorro energético
Pero quiero resaltar que el ahorro energético no es la única consideración. Mi experiencia personal me dice que la duración es muy importante. En mi casa se funden bombillas cada mes y hay que cambiarlas, y al cambiarlas, descubro que los portalámparas están hechos polvo porque el calor los ha quemado… Así que hay dos aspectos importantes: duración y calor generado.
Hace ya mucho tiempo que para evitar tener que cambiar las lámparas y los portalámparas tan frecuentemente opté por las fluorescentes compactas (las que tienen casquillo como las de incandescencia). El resultado fue que, efectivamente, el portalámparas no he tenido que cambiarlo. Su frialdad se nota. Pero la supuesta duración que nos venden es puro camelo, se estropean por el estilo que las de incandescencia. Sobre todo tienen una infancia nefasta, las primeras semanas caen como moscas.
Me sale más caro (en contra de lo que dicen los anuncios), pero mi vida es un poco más sencilla.
He estado usando durante tres años doce lámparas LEDs (¡Carísimas!) y son frías, no han estropeado los portalámparas y siguen funcionando. No he tenido que cambiar ninguna.
Así que mi decisión es clara: ¡Me voy a pasar a los LEDs!
¡Y ahora hablemos del Globo!
Un ahorro de un 50% de la energía usada en iluminación no es ninguna tontería. Algunos datos:
El Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) señala que el alumbrado público en España consume 4.700 gigavatios/hora por año y es responsable de la emisión a la atmósfera de 4.250.000 toneladas anuales de CO2. Si reducimos el consumo a la mitad, habremos emitido 2.125.000 toneladas menos de CO2 cada año.
¿Parece una trivialidad?
Y simplemente estoy hablando de sustituir bombillas incandescentes por LEDs; si, además, hacemos que la luz vaya hacía el suelo, que la iluminación sea uniforme aunque menor… Habremos ahorrado mucho.
Más datos: algunos estudios del Reino Unido señalan que la iluminación representa el 20% del consumo total de energía eléctrica. En algunos de los países en vías de desarrollo llega al 40%.
¿Parece una trivialidad?
Y ahora hablemos de los que no tienen luz eléctrica
Hoy en día, hay nada menos que 1.600 millones de personas no tienen acceso a la electricidad. Y mayoritariamente utilizan lámparas de queroseno (que en Suramérica suelen llamarlo querosén).
No sólo es caro, huele mal y no se ve ni torta… Sino que, además, produce incendios y enfermedades pulmonares…
Y emiten CO2.
Las lámparas basadas en LED permiten cargarlas con energía solar. Con grandes ventajas para los LEDs sobre las lámparas de queroseno: 100 veces más luz en el punto donde se necesita; menos peligro de incendio; menos emisión de CO2; menos enfermedades pulmonares… Más barato en el largo plazo, aunque en el corto hay que hacer un desembolso (Nota para las Cajas de Ahorros: ¿Qué tal microcréditos para comprar LEDs? ¿Qué tal una Obra Social solidaria consistente en regalar cargadores solares y lámparas LEDs? ¿Qué tal….?
The Economist que ha sido el inspirador de este blog, nos dice: Si la gente cambiara de utilizar lámparas de queroseno a lámparas de LEDs cargadas por energía solar la emisión de CO2 se reduciría en 190 millones de toneladas. (¿Han oído, empresas que tienen un gran libro de RSC-Responsabilidad Social Corporativa–?).
Hay varias empresas que –con ánimo de lucro y sin él– están intentado llevar los LEDs a las aldeas pobres. Aquí tiene algunas:
Light Up The World Foundation (No persigue beneficios).
Mightylight persigue beneficios (lo que, dicho sea de paso, me parece muy digno).
Trevor Baylis Inventor de la radio y e la linterna a cuerda [Persigue beneficios; de eso come.}].
Nightstar linterna magnética.
Better Energy Systems fabrica un cargador de baterías para Pcs que puede servir para la luz.
Sobre el autor:
Félix Ares de Blas (Madrid, 1947) .
Doctor en Informática. Ingeniero Superior de telecomunicación. Ha realizado un Máster en Dirección Bancaria y un Máster en Recursos Humanos.
Director de Miramón-Kutxa-Espacio de la Ciencia (Museo de la Ciencia de San Sebastián). En la actualidad es Profesor Titular de Universidad en el área de Arquitectura y Tecnología de Computadores. Ex investigador del IBM Madrid Scientific Center. Ex-Director del Museo de la Ciencia de San Sebastián (Miramon Kutxa Espacio de
la Ciencia).
Divulgador Científico que colabora en diversos medios: Radio nacional, Onda Cero, Diario Vasco, Heraldo de Aragón, etc. Es autor de varios libros y de cientos de artículos técnicos y de divulgación científica.
Actualmente tiene colaboraciones semanales sobre divulgación científica en Radio Nacional (Radio 1 y Radio 5) en emisión nacional; Radio Popular (de San Sebastián y de Loyola); Radio Vitoria (Álava); Radio Euskadi.
Actualmente está realizando un programa quincenal en LOCALIA televisión.
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Fuente: Félix Ares de Blas (Flexarorion) – ciencia15.blogalia.com
